电热水壶恒温控制系统的设计

电热水壶恒温控制系统的设计

一、选题简介、意义

传统的电水壶温控器的工作原理是：电热水壶接通电源加热后，水温逐步上升到100度，水开始沸腾，蒸汽冲击蒸汽开关上面的双金属片，由于热胀冷缩的作用，双金属片膨胀变形，顶开开关触点断开电源。如果蒸汽开关失效，壶内的水会一直烧下去，直到水被烧干，发热元件温度急剧上升，位于发热盘底部的有两个双金属片，会因为热传导作用温度急剧上升，膨胀变形，断开电源。通过对电水壶的工作原理的了解，到电水壶温控器和电水壶温控器的作用，电水壶温控器就是将温度控制在一个温度范围之内、不至于使水长处于沸腾的器件。电热水壶温控开关是一种用双金属片作为感温元件的温度开关，电器正常工作时，双金属片处于自由状态，触点处于闭合/断开状态，当温度升高至动作温度值时，双金属元件受热产生内应力而迅速动作，打开/闭合触点，切断/接通电路，从而起到热保护作用。由于传统电热水壶采用机械设计的温控元件，温度是固定的，不可调节，而且温度控制温差大，很难做到实际的恒温，设计出一款电子式的电热水壶恒温控制系统将十分的必要。

随着科技与经济水平的提高，电子智能控制在中国也得到了大力发展。随着技术的不断成熟，各个行业的智能化、电子化产品设计理念也越来受重视。电热水壶也也进行了智能化、电子化的革新。本设计的电热水壶恒温控制系统由于采用电子温度传感器做温度检测器件，具有很高的温度精度，可以根据用户的需要调节温度的控制范围，实现更接近于恒温的控制效果。本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温度热水壶恒温控制系统，它具有应用广泛、功能强大、小巧美观的功能特点。

二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）

（一）主要内容：

本课题研究内容是利用单片机技术实现电热水壶恒温控制系统的设计与制作

（二）主要解决问题：

1.基础功能：电热水壶温度检测与显示；

2.控制功能：采用PID的控制方法实现热水壶的恒温控制效果；

3.扩展功能：实现用户调节控制的热水壶恒温温度设置功能；

（三）预期目标：

制作出具有温度显示、调节、恒温控制功能的电热水壶控制系统。

（四）研究步骤：

本课题的工作步骤分为四个阶段：

第一阶段：查阅文献，收集资料，分析课题，确定解决课题方案，完成开题报告；

第二阶段：设计系统构架，进行对各个组成部分的结构设计；

第三阶段：反复操作实验，解决设计中遇到的问题，进行完善设计；

第四阶段：整理设计资料，复习设计内容，准备毕业设计论文答辩。

（五）方法及措施：

方法：本课题采用理论联系实践的科学方法。

措施：在多次设计方案修改与实验中，不断完善设计，获得更多的经验，在老师的指导下，最终完成电热水壶恒温控制系统的设计项目。

三、设计（论文）体系、结构（大纲）

第一部分绪论

1.1课题来源以及研究意义

1.2电热水壶温控系统的背景

1.3本文研究内容

第二部分系统方案设计

2.1系统分析

2.2系统框图设计

2.3方案分析

2.4综合方案

第三部分硬件电路设计

3.1总体电路

3.2单片机电路

3.2显示电路

3.2加热控制电路

3.2按键检测电路

第四部分软件设计

4.1程序的编写

4.2控制系统硬件结构的构造

4.2控制系统软硬件的调试

第五部分总结

第六部分主要参考文献

致谢

一、序言

生活中饮用水是必不可少的，自来水直接饮用会危害我们的健康，所以需要煮沸来净化水源，由于不同的需要，使得热水也有不同温度的需要。通过检测水温的大小，然后采取一定的设备进行控制，就可以得到我们需要的水温温度，满足我们实际的需求。

1.1 课题的研究背景

一般的家用电热水壶都是使用双金属片作为主要原件来制作成温度控制组件的，接通电源就会开始加热，一直到水烧到沸腾。沸水蒸发出来的蒸汽会顺着水壶的内部达到感温部件，当感温部件被加热到一定的温度时，由于金属应变片的不同温度系数作用。电热水壶的电源粗点就会弹开，加热也就停止。过一段时间后，金属应变片的温度下降又会恢复原来的形状，电热丝的电源又被导通，热水壶继续加热，如此循环。这就是传统电热水壶的基本工作原理。由于传统电热水壶采用机械设计的温控元件，热水的加热温度是固定的，而且不可调节的，存在的温度控制温差，很难做到实际的恒温，设计出一款电子式的电热水壶恒温控制系统将十分的必要[1]。

随着科技与经济水平的提高，电子智能控制在中国也得到了大力发展。随着技术的不断成熟，各个行业的智能化、电子化产品设计理念也越来受重视。电热水壶也进行了智能化、电子化的革新。本设计的电热水壶恒温控制系统由于采用电子温度传感器做温度检测器件，具有很高的温度精度，可以根据用户的需要调节温度的控制范围，从而基本实现恒温控制的要求。本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温度热水壶恒温控制系统，它具有应用广泛、功能强大、小巧美观的功能特点[2]。

1.2 课题的目的和意义

51单片机是数字控制电路运用最广泛的主控芯片，在很多的领域都有运用的实例。比如在工业生产领域的检测与测量，仪表仪器的应用，甚至是自动化生产领域。我们使用单片机来实现电热水壶恒温控制系统的设计与制作，不仅可以使设计的难度大大降低，而且能更好的实现要求的功能。温度传感器检测技术的运用对日常生活有着积极的意义，恒温热水控制系统对医学医疗、科技研究、工业生产以及农业种植等等方面都有着积极的意义。温度传感器的运用可以实现实时温度显示，而且也是温度检测与控制的前提。

1.3 设计任务

电热水壶恒温控制系统的设计与制作要实现的目标为：对当前的热水温度进行测量，并把测量得到的实际温度值通过液晶屏幕展示出来的功能。增加温度控制值的设置与控制范围的设置功能[3]，可以通过设置值得到水温控制的效果。而且电路要求可以通过屏幕进行目前是否是加热的工作方式的显示提示。

此次课题的研究内容是借助于单片机技术来实现电热水壶恒温控制系统的设计与制作，设计要求思想要求为：第一、系统具有人性的操作面板，使用和操作简单方便。第二、具有实现采集显示温度值得功能，可以把温度和设置参数显示出来。第三、而且还可以与设定值进行比较，实现实时报警功能。通过外部继电器输出加热控制信号。能方便准确的看到标准与当前值的差值，并做出相应的反应。

电热水壶恒温控制系统的具体设计技术要求：

1．基础功能：电热水壶温度检测与显示；

2．控制功能：采用PID的控制方法实现热水壶的恒温控制效果[4]；

3．扩展功能：实现用户调节控制的热水壶恒温温度设置功能；

1.4 论文结构

主要内容：本课题研究内容是利用单片机技术实现电热水壶恒温控制系统的设计与制作。设计电路，进行仿真和编程，焊接电路，调试出预期的功能目标。撰写论文，分析整个电路的各个模块，完成毕业答辩。

本课题的完成步骤主要分为4个工作的阶段：第一个阶段是通过查阅图书，去查找与之相关的资料。总体分析设计的特点，确定解决课题方案，完成论文的开题报告撰写。第二个阶段是设计出合理的系统框架，进行对各个组成部分的结构设计。第三个阶段是反复进行试验和方案优化，把设计中遇到的所有问题都一一解决掉，最后得到完善和设计成品。第四个阶段是整理设计过程用到的资料文档，汇总设计的具体内容，准备制作毕业设计的论文等等文档，然后进行论文的答辩。

毕业设计论文的实现方法与实现措施是理论结合实践的科学研究方法。在一次又一次次设计方案完善修改与电路调试实验中，不断优化完善设计。并从中获得不少的设计电路经验。在老师的耐心指导下，终于完成了此次电热水壶恒温控制系统的设计。

1.5 设计原理与结构

通过研究任务书、查阅资料和市场调查，得到了本设计的电路组成部分。主要包括：实时监测热水温度的温度传感器电路、液晶屏幕组成的显示电路、由单片机组成的主控电路、由微动按键组成的操控电路。

本设计采用的是STC89C52单片机作为电热水壶恒温控制系统的设计与制作的核心控制芯片[5]。温度的监测电路是使用了DS18B20高精度温度传感器来当作温度测量的元件，并且通过软件编程来对其进行控制。显示数据则使用LCD1602作为显示屏幕，把检测到的温度以及设置的参数显示出来。参数的设置则通过按键进行操作。当检测到的温度超出设置范围的时候系统实现水壶自动加热，报警提示显示在LCD的屏幕上“H”加热的字样。

参考文献

1．薛均义,张彦斌. 《MCS-516系列单片微型计算机及应用》[M].西安交通大学出版社，2012

2．刘凤然. 基于单片机的智能系统.传感器世界[J].2011，第（8）期：29～32

3．黄继昌. 《传感器工作原理及应用实例》[M].人民邮电出版社，2013

4．郭永贞. 《数字电子技术》[M]. 西安电子科技大学出版社，2011

5．杨金岩等.《8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例》[M]人民邮电出版社，2013

6．沙爱军. 单片机控制系统的研究与设计[J].北京：电子科技，2009（11）

7．张洪润. 《电子线路与电子技术》[M].清华大学出版社，2011

8．李淑萍. 基于单片机AT89S52的温度测量系统的设计[J].北京：自动化与仪器仪表，2013（3）

9．徐玮. 51单片机实现自动控制[J].电子制作，2010第（11）期：15

10．杨志忠等. 电子技术课程设计[M].北京：机械工业出版社，2008.6

11.R.Dye,‘Visual Object-Orientated Programming,’ [N]Dr.Dobba MacintoshJournal,Sep.lst(2013)